具有纳米粒子取向的聚合物复合材料发泡研究

摘要

聚合物发泡材料因其质轻、回弹性和缓冲性能好的优势，已经广泛应用到汽车、航空、包装和建筑等领域。而发泡材料的某些性质往往需要添加纳米粒子来实现，而添加纳米粒子又能对聚合物的发泡能起到良好的异相成核作用，在发泡中能产生更多的成核点，从而形成更大的泡孔密度以及更小的泡孔尺寸，同时纳米粒子不同的分散形态对泡孔结构乃至聚合物的性能也会产生巨大影响。
　　本文着重考察纳米粒子的分散以及取向分散对聚合物发泡性能的影响，选用热塑性聚氨酯(TPU)作为聚合物基体，分别以石墨烯(G)和碳纳米管(MWNT)为纳米填料，制备聚合物纳米复合材料，并对复合材料进行超临界二氧化碳发泡研究，主要开展以下几个方面的工作：
　　采用溶液和熔融共混的方法，分别制备不同含量的TPU/G、TPU/MWNT纳米复合材料，通过不同的机械牵引速度制成200μm～500μm的复合纤维，并对复合纤维进行超临界二氧化碳发泡。利用TEM对复合纤维中纳米粒子的分散性进行表征，研究结果表明两种纳米填料都能够均匀分散在 TPU基体中，体现出良好的分散形态和界面相容性。对发泡纤维的断面进行SEM的扫描，探究纤维发泡的泡孔结构、泡孔尺寸与密度。结果表明石墨烯的引入能够大大增加细纤维(200μm)的可发性，发泡范围显著增大；随着纤维直径的增加，对于直径500μm的纤维，石墨烯的引入有效地降低泡孔尺寸，提高泡孔密度，当引入5wt％的石墨烯时，泡孔尺寸由3.8μm减小到2.0μm，泡孔密度由4.93×109cells/cm3增加到2.42×1010cells/cm3，同时也探究了不同温度与压力对聚合物发泡性能的影响。
　　鉴于机械牵引纺纤过程中只能导致纳米粒子沿拉力的方向部分取向，为进一步探究纳米粒子的取向分散对聚合物发泡性能的影响，本文又利用压力诱导实现纳米粒子的取向。采用不同含量的TPU/G、TPU/MWNT纳米复合材料，通过压力诱导成型实现其不同压缩比，探究了不同压缩比下，粒子取向度的不同对聚合物发泡行为的影响。研究表明，不同的压缩比对纯TPU的泡孔尺寸与密度影响不大；对于TPU复合材料，更大的压缩比能够使纳米粒子在聚合物中分散堆砌的更加紧密，且使聚合物的熔体强度提高，随着压缩比增大，产生的泡孔变小，当添加5wt%含量的纳米粒子时，压缩比达到1:4时泡孔大小降幅达到最大，由1.86μm降到1.43μm。
　　此外，本文也对TPU复合材料的300%应变下进行拉伸应力分析，结果表明引入纳米粒子后，TPU的拉伸应力由33MPa增加到47.5MPa，拉伸应力提高43.9%，当纳米填料的含量达到3wt%的效果最佳。同时利用超级拓展流变仪对TPU复合材料进行动态流变分析，结果表明储能模量、损耗模量都会随着纳米填料的含量的增加而增加。

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第一章 绪论

1.1 聚合物纳米复合材料

1.2 纳米复合材料的性质

1.3 聚合物/纳米粒子的超临界二氧化碳发泡研究

1.4 热塑性聚氨酯/纳米粒子的超临界二氧化碳发泡研究

1.5 课题研究目的和主要内容

1.6 本章小结

第二章 热塑性聚氨酯/纳米粒子复合纤维的制备及其发泡性能的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结构表征与性能测试

2.4 结果与讨论

2.5 结论

第三章 压力诱导纳米粒子取向的聚氨酯复合材料制备与发泡研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结构表征与性能测试

3.4 结果与讨论

3.5 结论

第四章 结论、创新点与展望

4.1 结论

4.2 创新点

4.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及专利